En la Parte 1 de esta serie de artículos, discutimos las fuentes, la química, los efectos en la salud y las implicaciones regulatorias de los PFAS. Ahora nos dirigimos a nuestras opciones para hacer frente a la contaminación por PFAS.

Eliminar la Introducción de PFAS

Obviamente, eliminar la fabricación de productos que contengan PFAS reducirá la exposición a estos compuestos; sin embargo, dado que los productos que contienen PFAS están en todas partes, y la actividad para reemplazarlos de manera voluntaria es tan errática, esto probablemente tomará muchos años. Además, trazas de PFAS se encuentran en suelos, océanos, acuíferos de agua, el aire, en prácticamente todas partes. Estamos constantemente en contacto con ellos.

En la mayoría de los casos, la industria está intentando reemplazar esos productos bajo escrutinio con componentes libres de PFAS. Esto lleva tiempo, y el reemplazo a menudo es más costoso. Un ejemplo es el desarrollo de una espuma formadora de película acuosa libre de PFAS, una fuente significativa de contaminación. El Departamento de Defensa de EE. UU. ha pasado 10 años desarrollando este producto, pero con los obstáculos de costo, cambios en equipos, capacitación y otros desafíos, se espera que el Pentágono solicite una extensión de dos años para su implementación.

Además, hay algunos productos, como semiconductores y ciertos dispositivos médicos, para los cuales pueden no estar disponibles alternativas. Es posible minimizar la introducción de PFAS en el medio ambiente, pero puede que no sea posible eliminarlos por completo.

Eliminación

Eliminar toda la contaminación por PFAS de océanos, suelos y aire será extremadamente difícil, si no imposible; sin embargo, la remediación de los suministros de agua potable es factible y es el enfoque de una actividad significativa en este momento. Las actividades regulatorias están dirigidas a limpiar los suministros de agua potable, y las tecnologías para lograr esto se abordan en el resto de este artículo.

Tratamiento de Suministros de Agua Potable

Estas cuatro tecnologías son las más apropiadas para la eliminación de PFAS de suministros de agua normales, tanto municipales como de pozos privados:

• Carbón activado granular (CAG).
• Resinas de intercambio aniónico.
• Ósmosis inversa.
• Fraccionamiento de espuma.

Todas estas eliminan PFAS del agua, y el CAG probablemente será la tecnología inicial elegida por los municipios para cumplir con los nuevos requisitos de niveles máximos de contaminantes. La tecnología de CAG tiene una larga historia de uso exitoso en aplicaciones de tratamiento de agua municipal para la eliminación de varios contaminantes orgánicos, y está fácilmente disponible y es relativamente económica.

Por otro lado, la fuente de materia prima del carbón activado tiene un efecto en la capacidad de adsorción de PFAS, y el CAG parece tener un potencial limitado de sorción para PFAS de cadena corta. No hay acuerdo sobre la definición de cadena corta; sin embargo, parece ser un esqueleto de carbono de menos de siete átomos de carbono. Por supuesto, la selección de tecnología se basará en una serie de variables, incluidos los PFAS particulares. Sin duda, se requerirán ensayos.

Carbón Activado Granular

El carbón activado se fabrica típicamente a partir de fuentes carbonosas, a menudo material de desecho, como cáscaras de coco, carbón, lignito, turba, madera y materiales derivados del petróleo. Se activa físicamente mediante calentamiento en una atmósfera inerte seguida de oxidación en presencia de vapor o oxígeno. Este proceso produce un material con una porosidad muy alta y una alta área de superficie. Un gramo de carbón activado tiene un área de superficie estimada de más de 32,000 pies cuadrados.

El carbón activado elimina contaminantes del agua mediante un proceso llamado adsorción, la unión del químico a la superficie del carbón a través de las fuerzas de van der Waals, a menudo dentro de sus poros. El carbón activado está disponible en varias formas: granular, en polvo, coloidal, en bloque y extruido. El CAG hecho de carbón bituminoso parece ser el más efectivo para la adsorción de PFAS.

Resinas de Intercambio Aniónico

Las resinas de intercambio iónico son pequeñas perlas de plástico diseñadas para eliminar contaminantes iónicos utilizando un mecanismo de adsorción similar al del carbón activado. Las resinas de intercambio aniónico son efectivas para eliminar la mayoría de los PFAS y se dice que los eliminan más rápidamente que el CAG.

Un desarrollo reciente implica despojar de PFAS adsorbidos a las resinas con una solución de solvente salino especializada y recuperar el solvente por destilación.1 Los “fondos de still” contienen PFAS concentrados hasta en un factor de 50,000 para facilitar su destrucción. Dado que el solvente es actualmente metanol, el proceso no cumple con NSF/ANSI 61 y no puede usarse ahora para aplicaciones de agua potable.

Ósmosis Inversa

La ósmosis inversa es un proceso de separación por membrana impulsado por presión y flujo cruzado, que utiliza una membrana semipermeable diseñada para rechazar contaminantes iónicos y compuestos orgánicos con pesos moleculares superiores a aproximadamente 150 daltons. Esta tecnología produce dos corrientes: una que pasa a través de la membrana y está purificada (permeado), y otra que pasa por la superficie de la membrana y lleva los contaminantes (concentrado). Dado que los contaminantes son eliminados continuamente, este es un proceso continuo, aunque la membrana eventualmente se obstruirá y requerirá limpieza o reemplazo. La ósmosis inversa se considera efectiva para la eliminación de todos los PFAS.

La nanofiltración es otra tecnología de separación por membrana, muy similar a la ósmosis inversa, pero capaz de rechazar compuestos orgánicos con pesos moleculares no inferiores a aproximadamente 300 daltons.

Fraccionamiento de Espuma

El fraccionamiento de espuma implica introducir burbujas de aire en el agua que ascienden a la superficie, llevando los PFAS con ellas. Muchos PFAS son surfactantes con “cabezas” hidrofílicas y “colas” hidrofóbicas. Esta característica provoca que se acumulen preferentemente en la interfaz aire-agua de las burbujas, y esta capa superficial concentrada puede ser eliminada y tratada posteriormente. Se ha estudiado el uso de ozono en lugar de aire y parece ofrecer ahorros de costos al producir significativamente menos volumen de espuma.2

Si bien ninguna tecnología eliminará el 100 por ciento de ningún contaminante, las pruebas exhaustivas del CAG, resinas de intercambio aniónico, ósmosis inversa y fraccionamiento de espuma han demostrado más del 99 por ciento de eliminación de PFAS. Varios muestran promesa para concentrar PFAS para mejorar la operación de las tecnologías de destrucción descritas a continuación.

Tratamiento de Plumas de Agua Subterránea

Donde los PFAS han contaminado un suministro de agua subterránea (acuífero), se pueden emplear las siguientes técnicas:

• Bombear y tratar.
• Carbón activado coloidal (CAC).

Bombear y tratar implica bombear el agua contaminada del acuífero, tratarla con cualquiera de las tecnologías anteriores y devolverla al acuífero. Este proceso se ha utilizado durante más de 40 años para la remediación de agua subterránea, principalmente para la eliminación de contaminación por cloruros. Un inconveniente de este proceso es que algunos contaminantes, especialmente el ácido perfluorooctanoico (PFOA) y el sulfonato de perfluorooctano (PFOS), se adhieren a los sólidos del suelo y resisten la eliminación durante el proceso de bombeo.

El carbón activado coloidal consiste en partículas de carbón finamente molidas. Estas se inyectan en el acuífero contaminado y adsorben PFAS in situ. Las partículas de carbón activado se adsorben a los sólidos del suelo y permanecen allí indefinidamente. A medida que el agua tratada permanece en el acuífero, no se requiere gestión de residuos y no se necesita exposición humana a los PFAS. Se puede reinyectar CAC adicional según sea necesario, y se informa que el costo total de este enfoque es menos de un tercio del costo del proceso de bombear y tratar.

Destrucción de PFAS

Desafortunadamente, ninguna de las tecnologías anteriores descompondrá los PFAS en sus componentes químicos básicos (por ejemplo, dióxido de carbono, ion fluoruro y agua); sin embargo, se están llevando a cabo actividades intensivas para crear tecnologías de mineralización destructiva. El desafío es que el enlace químico carbono-flúor es extremadamente fuerte, probablemente el más fuerte conocido, en el rango de 485 kilojoules por mol. Afortunadamente, los humanos son muy innovadores y están en desarrollo nuevas tecnologías en diversas fases de comercialización.

La mayoría de los PFAS son especies de surfactantes basadas en ácidos carboxílicos o sulfonicos con cadenas de fluoroalquilo de diversas longitudes. Esta gran variación se traduce en desafíos con respecto a la eficacia de tecnologías de destrucción específicas. Algunos compuestos pueden no ser completamente mineralizados y solo producen PFAS de longitud de cadena más corta. La clave para una destrucción completa es aprovechar y controlar la energía necesaria para lograrlo.

Las siguientes categorías de tecnología están siendo investigadas:

• Térmica.
• Oxidación en agua supercrítica (SCWO).
• Tratamiento hidrotérmico alcalino (HALT).
• Oxidación electroquímica.
• Oxidación fotocatalítica.
• Plasma.
• Sonólisis.
• Bioremediación.

Térmica

La incineración es un proceso que consume mucha energía, y compuestos tóxicos gaseosos pueden liberarse al medio ambiente; sin embargo, a temperaturas superiores a 1,000 grados Celsius, la mineralización de los PFAS es posible. Un artículo de investigación del 13 de septiembre de 2022 en Remediation, “Destrucción Térmica de PFAS durante la Reactivación a Gran Escala de Carbón Activado Granular Cargado con PFAS”, detalla la utilización de un horno de múltiples hogueras seguido de un oxidante térmico, enfriador de pulverización, desengrasador por inyección en seco y filtro de bolsa para regenerar carbón activado granular, que se ha utilizado para adsorber PFAS de los suministros de agua. La eficiencia general de destrucción de los compuestos objetivo (PFOA, PFOS, GenX y ácido perfluorobutano sulfonico, o PFBS) superó el 99.99 por ciento.

La pirólisis, la destrucción de materia orgánica mediante calentamiento en ausencia de oxígeno, se ha investigado para la mineralización de PFAS; sin embargo, parece ser más aplicable al tratamiento de suelos contaminados.

Oxidación en Agua Supercrítica (SCWO)

Un fluido supercrítico es una sustancia a una temperatura y presión superiores a su punto crítico. Para agua, este punto es 374 grados Celsius y 3,200 libras por pulgada cuadrada de presión, respectivamente. Por encima de este punto crítico, el agua no es ni un líquido ni un gas, sino que tiene propiedades de ambos: las sales se vuelven insolubles y el oxígeno extremadamente soluble.

Para descomponer los PFAS, se agrega un oxidante (aire, oxígeno, peróxido de hidrógeno), y el ácido fluorhídrico resultante se neutraliza típicamente con hidróxido de sodio.

Un estudio de 2022, bajo la dirección de la Oficina de Investigación y Desarrollo de la EPA de EE. UU., evaluó la eficacia de esta tecnología para destruir PFOA y PFOS en espuma formadora de película acuosa diluida. Se probaron tres proveedores de sistemas de SCWO. Todos los sistemas mostraron una reducción de más del 99 por ciento de estos compuestos.3 Aunque esta tecnología tiene altos requerimientos de energía, parece destruir PFAS, independientemente de la longitud de la cadena, y el tiempo de reacción es bastante rápido.

Tratamiento Hidrotérmico Alcalino (HALT)

Algo relacionado con SCWO, esta tecnología utiliza un pH alto (~14) y presión (~3,600 libras por pulgada cuadrada) a una temperatura de aproximadamente 350 grados Celsius para lograr la destrucción de PFAS. En estas condiciones, el agua se considera en estado subcrítico (líquido). Algunas pruebas han indicado que se pueden lograr tiempos de reacción más rápidos con la adición de un metal pesado en polvo, como hierro.4

Oxidación Electroquímica

La EPA define esta tecnología como “una tecnología de tratamiento de agua que utiliza corrientes eléctricas pasadas a través de una solución para oxidar contaminantes”.5 Utiliza un ánodo y un cátodo con potencia de corriente continua. Las ventajas son bajos costos de energía, operación a temperatura ambiente y sin adición de productos químicos. Las desventajas incluyen la posibilidad de una destrucción incompleta, ensuciamiento del ánodo, costo de electrodos y problemas de volatilización de PFAS.

El material de electrodo preferido parece ser diamante dopado con boro con excelente estabilidad mecánica, química y térmica, y altas propiedades de transferencia de electrones. El mecanismo exacto de destrucción de PFAS no se comprende completamente, y los compuestos de cadena larga se descomponen más rápidamente, aparentemente como resultado de su mayor hidrofobicidad.6

Oxidación Fotocatalítica

La exposición de compuestos orgánicos a longitudes de onda de radiación ultravioleta (UV) por debajo de 320 nanómetros (nm) puede resultar en fotólisis, la fotodisociación de cadenas de polímeros, teóricamente descomponiendo el compuesto en sus componentes básicos. Las dos longitudes de onda UV más comúnmente probadas son 185 nm y 254 nm, y la destrucción resulta de la generación de fotones. Contaminantes orgánicos competitivos como la materia orgánica natural, así como condiciones ambientales como temperatura y pH, limitan la fotólisis de los PFAS.

La adición de oxidantes (ozono, peróxido de hidrógeno, persulfato, sulfito) ha mostrado mejoras en la tasa de descomposición en estudios de laboratorio. El mecanismo de destrucción parece ser la formación de radicales activos por radiación UV.

Los nanotubos y compuestos de dióxido de titanio han mostrado promesa en pruebas de laboratorio. Estos catalizadores aparentemente producen radicales hidroxilo (•OH) y otros intermedios reactivos generados fotocatalíticamente para desfluorinar los PFAS de manera más efectiva.7

Se han estudiado procesos híbridos, combinando oxidación electroquímica con fotocatálisis, por ejemplo, en el laboratorio. Un estudio de este tipo se describe en un número de mayo de 2024 de Nature Water, “Destrucción Casi Completa de PFAS en Espuma Formadora de Película Acuosa (AFFF) mediante Procesos Foto-Electroquímicos Integrados.”

Un informe del Programa de Certificación de Tecnología de Seguridad Ambiental del Departamento de Defensa de EE. UU. de noviembre de 2023 titulado “Destrucción de PFAS por Defluoración Reductora Fotoactivada” detalla una nueva tecnología. La adición de un producto químico produce un micela tensioactivo que aparentemente encierra los PFAS. Otra adición química es estimulada por radiación UV para descomponer los PFAS.

Tecnología de Plasma

Un plasma es un gas cargado eléctricamente. El diseño preferible para la destrucción de PFAS, el plasma no térmico, puede generarse utilizando electrodos de varias maneras: descarga de chispa, descarga de brillo, descarga de barrera dieléctrica y descarga de arco deslizante. Esta energía de descarga produce electrones que reaccionan con aire o un gas específico, como helio, neón, argón, oxígeno o nitrógeno, en el agua para generar especies reactivas, incluidos radicales •OH, oxígeno atómico, oxígeno singulete, peróxido de hidrógeno y electrones solvatados. También se producen radiación UV, ondas de choque y altos temperaturas localizadas in situ.

Se ha informado que el argón es el gas más apropiado para el tratamiento de PFAS. Las moléculas de PFAS adsorbidas en la interfaz de burbuja son impactadas por especies reactivas. Las ventajas de esta tecnología son tiempo de tratamiento corto, mínima interferencia de co-contaminantes y destrucción de PFAS más completa. Por otro lado, este proceso aparentemente hace que el agua tratada sea ácida, aunque el proceso exacto de destrucción no se comprende completamente.8

Sonólisis

La cavitación acústica implica la generación e implosión de burbujas de vapor. La irradiación ultrasónica crea ondas de presión que generan áreas localizadas de baja y alta presión, formando burbujas de vapor, que continúan creciendo y finalmente colapsan, causando condiciones instantáneas de alta temperatura (4,000–10,000 kelvins) y presión (580,000–870,000 libras por pulgada cuadrada). Esto resulta en la pirólisis del agua, produciendo radicales hidroxilo y átomos de hidrógeno y oxígeno en las interfaces de cavidad-masa. Las pruebas han revelado que los PFAS pueden descomponerse en monóxido de carbono, dióxido de carbono y ion fluoruro.9

Bioremediación

Hay muy pocos productos químicos orgánicos que contengan flúor de forma natural, y ninguno tiene más de un átomo de flúor en la molécula. Además, se sabe que el ion fluoruro causa efectos tóxicos en bajas concentraciones. Por lo tanto, casi no hay microorganismos conocidos capaces de consumir estos productos químicos. Como resultado, las investigaciones sobre la destrucción de PFAS por microorganismos son muy limitadas.

Un estudio reciente de microorganismos de aguas residuales municipales encontró que dos especies de bacterias romperán los enlaces entre átomos de carbono y cloro, lo que desestabiliza la molécula. Los átomos de oxígeno y hidrógeno reactivos que reemplazan los átomos de cloro contribuyen a la ruptura de los enlaces carbono-flúor. Este enfoque funciona solo en aquellos PFAS que también contienen cloro.10

Otro estudio evaluó la defluoración de PFAS basados en ácidos carboxílicos y determinó que es posible destruir ciertos PFAS mediante la combinación de tratamientos anaeróbicos y aerobios.11

Otro estudio ha demostrado que el material fabricado a partir de fuentes lignocelulósicas renovables adsorbe PFAS y promueve el crecimiento de bacterias y hongos para degradar estos compuestos. Esta tecnología utiliza materiales sostenibles de bajo costo; sin embargo, se requieren largos tiempos de reacción (30–45 horas), y puede resultar en mineralización incompleta.12

Hay varias otras tecnologías referenciadas en la literatura, pero aparentemente todavía están en la fase de investigación de laboratorio. Algunos investigadores afirman la destrucción de PFAS, pero retienen el proceso científico específico o los procesos empleados. Esta falta de detalle dificulta la colocación en una categoría tecnológica particular. Un proveedor ofrece catalizadores “nanoporosos” y “piezoeléctricos”, que, bajo condiciones turbulentas, generan “radicales altamente reactivos, oxidativos y reductores” que rompen enlaces químicos. Los detalles técnicos específicos se consideran información confidencial.

El término “tratamiento termomecanicoquímico” se aplica a una tecnología de molienda que utiliza bolas de acero inoxidable para triturar suelos y otros sólidos que contienen PFAS. Las colisiones de las bolas crean altas temperaturas, y la adición de un reactivo alcalino promueve la destrucción de PFAS. Se ha presentado una solicitud de patente por parte de la Oficina de Investigación y Desarrollo de la EPA. Hay numerosas tecnologías de tratamiento híbrido en desarrollo, combinando más de una de las categorías enumeradas en un intento de optimizar el rendimiento.

Las categorías descritas aquí son tan inclusivas como sea posible, y, a medida que continúan los desarrollos, sin duda surgirán más. La clave para una defluoración completa es producir suficiente energía para romper el enlace químico carbono-flúor. Los factores que influyen en el rendimiento son muchos e incluyen la química particular de los PFAS (los PFAS de cadena corta, que contienen menos de seis átomos de carbono, generalmente son más difíciles de descomponer), el volumen de agua a tratar, la composición química, el pH, la temperatura, la interferencia de co-contaminantes, los requisitos de calidad del agua tratada y consideraciones económicas.13

Conclusión

El mundo está entrando en una nueva era de identificación y medición de contaminantes en el agua potable. Los químicos analíticos ahora pueden medir contaminantes en el rango de nanogramos por litro. Esto es al menos 1,000 veces más pequeño que casi todas las capacidades de medición previas.

Hay toda la razón para creer que pronto será posible medir rutinariamente concentraciones en el rango de partes por cuadrillon o picogramos por litro. Esto es 1,000 veces más pequeño aún y equivalente a un segundo en 32 millones de años.

A medida que la mayor parte de los 85,000 productos químicos estimados en nuestra agua potable se presume que están en concentraciones diminutas, esta capacidad sin duda nos permitirá identificar nuevos contaminantes que aún no conocemos, y se abrirá una caja de Pandora de problemas de contaminación por agua. ¿Representan estas concentraciones diminutas de químicos desconocidos un peligro para la salud? No tenemos idea, aún. Por otro lado, es difícil creer que consumir todos estos productos químicos sea bueno para nosotros.

La buena noticia es que cada vez que identificamos nuevos problemas de contaminación, los humanos parecen encontrar rápidamente una solución para hacer que el agua potable sea más segura.